雙筒望遠(yuǎn)鏡（一）

□ 編譯 / 任萃毅

雙筒望遠(yuǎn)鏡（一）

□ 編譯 / 任萃毅

常常碰到一些朋友向我咨詢買什么樣的望遠(yuǎn)鏡好？他們中大多數(shù)人真實的目的很簡單——給自己或孩子隨便看一看。倘若你向他們大談特談那些單筒望遠(yuǎn)鏡(折射、反射或折反射望遠(yuǎn)鏡)，結(jié)果往往會把人家嚇了回去——單是那些“配件”(赤道儀等)就夠折騰人的。如今，每當(dāng)遇到此類詢問，我更傾向推薦雙筒望遠(yuǎn)鏡。

對于雙筒望遠(yuǎn)鏡，我自己也有個曲折的認(rèn)知過程。1990年代我曾使用過一些現(xiàn)在看來屬于劣質(zhì)的雙筒，那糟糕的成像帶來的是許久都揮之不去的心理陰影，及至后來熱衷天文攝影，其間雖曾使用雙筒尋星或輔助觀測，但意識形態(tài)上已經(jīng)對雙筒之類的目視不屑一顧了，這種狀況直到近些年才逐漸改變。

隨著材料和工藝的提高，雙筒品質(zhì)和性價比也有了很大程度的提升。就技術(shù)含量來說，雙筒的制作加工一點也不比單筒望遠(yuǎn)鏡簡單，某些光學(xué)指標(biāo)甚至比后者高很多。

拋開那些大口徑、重型雙筒姑且不提，雙筒便攜且使用簡單，如果你不想錯過那些轉(zhuǎn)瞬即逝的目標(biāo)（不一定是天象），那雙筒是不二的選擇。即使是一架中小口徑的雙筒望遠(yuǎn)鏡，也能讓人在數(shù)年間癡迷于星空。2014年5月期間我?guī)е鑱淼囊慌_10×50雙筒在澳洲中部沙漠里來了一場星空大饕餮，至今念念不忘。據(jù)說國外有人用10×50雙筒橫掃了幾乎全部的梅西葉天體（在良好的暗夜環(huán)境下這是可能的）。

高端的大雙筒更是讓人覺得目明星銳，欲罷不能。我曾有幸使用過一架德制100mm口徑的APM雙筒觀測獵戶座大星云M42，通過它展現(xiàn)在我眼前的是一個全新的M42，之前用單筒望遠(yuǎn)鏡觀測時隱匿的那些細(xì)節(jié)一一顯現(xiàn)，此刻我終于體會到什么是“攝人魂魄”。雙筒望遠(yuǎn)鏡可不僅僅是個消遣物，某些方面優(yōu)勢使之成為專業(yè)天文愛好者的“制式武器”。用雙筒觀測時，雙眼目視的立體感會讓你切切實實地感受到天體的存在，而非虛無縹緲。視野寬廣的大雙筒特別適合搜彗，用它們觀看那些大彗星，往往會帶來超震撼的視覺

元啪〃詿宵”慳枚瑣免…健澗×鏍冪穴卦（George Alcock）和百武裕司，他們都曾用雙筒做過實測。

有那么一些人，他們的目的純粹就是“看一看”，甚至熱衷于此，他們這種“看一看”的快樂或許讓你看不上眼，甚至覺得他們連“業(yè)余愛好者”都算不上。遺憾的是，直到多年之后我才明白這種思想的錯誤，因為無論是拍攝還是觀測，目的只有一個──那就是對過程的享受，只要能找到屬于自己的快樂便是好事一樁，由此醉心于雙筒同樣名正言順。

2013年，《天文愛好者》編輯部的老師向我推薦了英國天文科普作家史蒂芮×掊酊)Tufqifo!Upoljo＊唱猝》啡箴孱有望遠(yuǎn)鏡》（Binocular Astronomy）一書，我以高中之后就無長進(jìn)的英語水平，費九牛二虎之力，歷時約一載，將其粗略地閱覽了一遍，受益匪淺，讓我徹底改變了先前對雙筒望遠(yuǎn)鏡的淺薄之見。本文也以此書為藍(lán)本，與讀者共饗其中的一些觀點，目的是希望大家在購鏡之前對雙筒望遠(yuǎn)鏡的光機(jī)結(jié)構(gòu)、選配、性能測試、保養(yǎng)與維護(hù)等知識有個初步了解。文中不妥或錯誤之處，希望讀者朋友批評指正。

何為雙筒？

之所以用“何為雙筒？”為文章開篇的標(biāo)題，是想在這里厘清一些基本概念。

問題1 雙筒與雙目?

本文所提及的雙筒是指那些由一對“物鏡—目鏡”系統(tǒng)組合而成的望遠(yuǎn)鏡，這種稱為“雙筒”。還有一類，就是主鏡是單一的一個折射或反射鏡，目鏡端通過一組光學(xué)系統(tǒng)分離成兩個(類似很多雙目顯微鏡)，這種稱之為“雙目望遠(yuǎn)鏡”。很多人常常將此二者混為一談，而實際上這兩者光學(xué)結(jié)構(gòu)等區(qū)別很大(圖1.1)。

圖1.1 左：筆者使用的普羅棱鏡式雙筒，它有一個大大的棱鏡室；中：筆者使用的屋脊棱鏡式雙筒，與普羅棱鏡式雙筒不同的是，它的物鏡和目鏡位于前后一條直線上；右：雙目頭，使用時接在單筒望遠(yuǎn)鏡上，而用雙眼觀測。

問題2 雙眼視物的優(yōu)勢

有一點是公認(rèn)的，也是被實驗所證明的，那就是：在黑暗環(huán)境中，雙眼視物比單眼視物的靈敏度閾值要低1.4倍，即所謂的“雙眼總和”效應(yīng)（也稱“神經(jīng)加合現(xiàn)象”)，該數(shù)值可以從統(tǒng)計學(xué)和生理累加兩方面得到。

統(tǒng)計學(xué)：

用人眼去捕捉一個暗物體發(fā)出的光線時，假設(shè)單眼捕捉到目標(biāo)的概率值稍高于0.5，譬如是0.6，則計算表明，這時雙眼的反應(yīng)閾值比單眼低1.4倍，算法如下：

則雙眼反應(yīng)閾值與單眼反應(yīng)閾值比為：P雙眼/P單眼=0.84/0.6=1.4。

生理累加：

從本質(zhì)上講這其實就是在提高信噪比（SNR）。雙眼中任意一只眼的信號增加，相對應(yīng)的隨機(jī)神經(jīng)噪音就被削弱，相關(guān)理論計算證明此時SNR值提高了，即大約1.4倍。

從“雙眼總和”效應(yīng)中還可以發(fā)現(xiàn)，用雙眼視物可以同時提高視覺的敏感度和對比度，這在我們驗光時很容易體會到——測試視力時我們被要求“睜一眼閉一眼”。如果用兩只眼去看，原本單眼看不清的字可能會變得清晰！同理，使用雙筒時此類現(xiàn)象舉不勝舉，例如觀測原本模棱兩可的景象，或是辨析一顆雙星，也遵循“雙眼總和”原則。當(dāng)然，上述結(jié)論建立在一個基礎(chǔ)上——雙眼必須有良好的矯正視力，如果兩眼中的一只眼睛視力很差，則雙眼看到的影像總質(zhì)量要比視力好的那只單眼看到的質(zhì)量差，這種情況也會影響到雙筒的使用。

雙眼視物還有一個額外的好處──立體視覺。雖說天體距離我們異常遙遠(yuǎn)，觀之不可能產(chǎn)生真正的立體感，但如果用雙眼去看就會產(chǎn)生“立體”的錯覺，恰好有助于審美。

人的眼睛有盲點，所謂盲點就是視網(wǎng)膜的某些位置上視神經(jīng)有缺失，盲點會導(dǎo)致視野中那些小目標(biāo)（例如暗淡的小星點）不被眼睛所感知，但如果用雙眼去觀測，左右眼能相互消除對方視物時的那些盲點，這也是雙眼視物的一大優(yōu)勢。

圖1.2 雙眼觀測天體可以產(chǎn)生立體“錯覺”

問題3 雙筒的分類

如圖1.1，依據(jù)正像棱鏡的不同，雙筒望遠(yuǎn)鏡主要分為普羅棱鏡式（Porro prism）和屋脊棱鏡式（Roof prism）兩大類。下文將對這二者的特性做客觀的描述，至于具體選擇哪一類型的雙筒，讀者可以根據(jù)自己的實際情況做出取舍。

雙筒的光機(jī)結(jié)構(gòu)

雙筒望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)主要由三部分組成：

物鏡組：接收來自物體的光線并在像平面成像。

目鏡組：將物鏡組所成的像轉(zhuǎn)變成人眼可見的像。

正像鏡組：現(xiàn)代雙筒中正像系統(tǒng)多由棱鏡組來完成（圖2.1），為此某些大雙筒的目鏡需要做成與主鏡筒呈45°或90°轉(zhuǎn)出，而且棱鏡的檔次也往往決定雙筒的品質(zhì)等級。

圖2.1 兩類棱鏡式雙筒的光路

圖2.2 屋脊棱鏡雙筒光路剖面示意圖

圖2.3 普羅棱鏡雙筒光路剖面示意圖

物鏡組

物鏡組通常由兩片或更多片消色差或復(fù)消色差透鏡組成。消色差雙合透鏡是目前雙筒的“標(biāo)配”。高品質(zhì)或大型天文觀測用雙筒則多為三片式復(fù)消色差透鏡。除此之外，有時會添加其他透鏡用以消除球差、彗差和場曲等像差。消色差透鏡可把兩束不同波長(顏色)的光線會聚于一個焦點，最普通的消色差雙合透鏡由前面一片冕玻璃做的雙凸面透鏡和后面一片火石玻璃做的、起弱發(fā)散效果的透鏡組成?，F(xiàn)代消色差透鏡多用低色散(ED)玻璃制成。還有復(fù)消色差透鏡，它能將三種波長的光線匯聚于一個焦點，其材質(zhì)往往是昂貴且易碎的螢石玻璃。

對于大口徑雙筒，由于其焦比通常比較小，一般在f/5，甚至更小，所以色差能否控制得好是首先要考慮的。各類像差后文將有詳細(xì)介紹。

目鏡組

現(xiàn)代雙筒的目鏡的鏡片數(shù)在3片或以上，組數(shù)在2組或更多。目鏡中最普通卻堪稱“尊者”的凱爾納（Kellner）目鏡，其歷史可追溯到1849年，它的場鏡是一塊雙凸透鏡，接目鏡則由兩塊透鏡組成。逐漸普及的是一種由埃德蒙科技公司（Edmund Scientific Company）的David Rank在1975年提出設(shè)計的、在凱爾納目鏡基礎(chǔ)上的改進(jìn)型，這就是RKE（The Reversed Kellner eyepiece）目鏡。它的鏡片結(jié)構(gòu)樣式與凱爾納目鏡正好相反，前端為雙合透鏡，后面為一個雙凸透鏡，所以也被稱作反向凱爾納式目鏡。這種目鏡的視場可達(dá)50度，較凱爾納式的45度稍有增加，鏡目距（出瞳距離，后文有詳述）也比凱爾納式增加了許多。大視場雙筒通常使用改進(jìn)的埃弗利(Erfle)目鏡，采用3組、每組5或6枚鏡片（圖2.4）。它有著寬達(dá)70°的視場，但當(dāng)視場超過65°時鏡目距往往變差。

圖2.4 常見的雙筒目鏡

棱鏡組

多數(shù)單一的“物鏡－目鏡”體系得到的是與實景上下左右顛倒的成像，棱鏡組的作用就是把顛倒的影像保質(zhì)保量地轉(zhuǎn)成正像。另外，由于棱鏡折疊了光路，所以雙筒才有了這種與眾不同、便于手持的短筒形象。前面說過，大多數(shù)雙筒統(tǒng)歸于兩種樣式：普羅棱鏡式和屋脊棱鏡式。

1 普羅棱鏡（Porro prism）

普羅棱鏡組是由兩塊塑造成等腰直角三棱鏡的底面拼合而成，這兩個面的棱邊必須嚴(yán)格垂直，此一點尤為重要，如果拼合誤差較大，就會產(chǎn)生明顯的圖像旋轉(zhuǎn)（術(shù)語稱為“像傾斜”）。像傾斜的角度可以達(dá)到錯位角的2倍，且方向相反（假設(shè)順時針方向上安裝誤差0.5°，則影像逆時針方向偏轉(zhuǎn)1°）。普羅棱鏡的光路如圖2.5－a，2.5－b是用于校準(zhǔn)普羅棱鏡像傾斜的儀器。

圖2.5 a：普羅棱鏡中圖像發(fā)生上下左右翻轉(zhuǎn)（以紅線為基準(zhǔn)，對比一下入射光和出射光中其他兩條線的位置）；b：用于校準(zhǔn)普羅棱鏡像傾斜的儀器

圖2.6 未開槽與開槽的普羅棱鏡

采用短焦比的物鏡時，那些與光軸不平行的光線在普羅棱鏡的底面上會產(chǎn)生一次內(nèi)反射（圖2.6-a），最終從棱鏡中出射的光線經(jīng)過了三次反射，因這些光線而產(chǎn)生的“雜光”會降低影像的對比度。解決的辦法是：在普羅棱鏡底面中心線上開一條槽，便可有效地消除這些添亂子的雜光（圖2.6-b）。開槽棱鏡可是高品質(zhì)雙筒才具備的特征。

圖2.7 BK7和BaK4玻璃。例如，當(dāng)光線以41°角入射，在BaK4玻璃中發(fā)生全反射，但在BK7玻璃中有部分光線折射損失。

棱鏡的玻璃材質(zhì)是值得一番說道的。一種是硅酸硼冕玻璃BK7(“BK”源自德文“Borkron”)，另一種是品質(zhì)更好的鋇冕玻璃BaK4 (“BaK”源自德文“Baritleichtkron”)，后者折射率更高。折射率相對高的臨界角相對越小，BaK4的臨界角為39.6°，BK7為41.2°，較大的臨界角會因折射而損失部分光線（圖2.7）。特別是那些焦比在f/5或更短且大視場的雙筒，兩種材質(zhì)做出的棱鏡差異更加明顯。物鏡邊緣那些沒有被全反射的光線會給成像帶來漸暈，這種情況很容易檢測——將雙筒對準(zhǔn)明亮的天空或其他面光源，然后觀察出瞳光斑就會發(fā)現(xiàn)，采用BaK4玻璃的雙筒是一個完美的出瞳亮斑，但用BK7玻璃的雙筒出瞳光斑邊緣會出現(xiàn)明顯的藍(lán)灰色陰影切邊（如圖2.8）。對于屋脊棱鏡來說，采用BK7或BaK4玻璃出瞳光斑的差異可以參照李龍濤先生的網(wǎng)文：BaK4和BK7的區(qū)別（屋脊棱鏡篇）。注意：不同類型的雙筒判斷方法不能隨意相互照搬。

圖2.8 出瞳光斑。 a：BK7玻璃；b：BaK4玻璃

2 屋脊棱鏡（Roof prism）

屋脊棱鏡有很多種，常見的是施密特—別漢屋脊棱鏡（Schmidt_Pechan prism，圖2.9）。它由一塊剖成一半的五棱鏡（別漢棱鏡，能45°轉(zhuǎn)向，圖2.10-a）和一塊施密特屋脊棱鏡組成（圖2.10-b），光線在此經(jīng)歷了六次反射（普羅棱鏡是四次），從而轉(zhuǎn)成正像。

采用屋脊棱鏡組的雙筒的優(yōu)點是：

光線自前端進(jìn)入，后端出射，形成幾乎“直通”的轉(zhuǎn)像結(jié)構(gòu)。這種“直通”光路結(jié)構(gòu)緊湊，屋脊棱鏡式雙筒整體給人的感覺就是簡潔、小巧。

分量輕，同等規(guī)格的前提下，屋脊棱鏡雙筒更輕(圖1.1中兩款BOSMA雙筒，普羅型的重1072g，屋脊的重912g)，鏡筒瘦小，拿握靈活，符合人體工程學(xué)，長時間手持也不會手腕酸累。

圖2.9 施密特—別漢棱鏡光路圖

采用內(nèi)調(diào)焦，所以防水性好。內(nèi)部充氮的雙筒在水汽大的環(huán)境下不會結(jié)濕起露，而且在觀鳥或看比賽中即便遭受雨淋，也不大會有水滲入。

圖2.10 a：半五棱鏡（別漢棱鏡，45°轉(zhuǎn)向）；b：施密特棱鏡。圖像發(fā)生上下左右翻轉(zhuǎn)，主軸偏轉(zhuǎn)了45°。

不過，要達(dá)到與普羅棱鏡相媲美的光學(xué)質(zhì)量，屋脊棱鏡造價更貴。首先，屋脊棱鏡加工精度要求很高，特別是屋脊夾角，它的制作公差（2″）要比普羅棱鏡（10′）高很多，兩者相差300倍！之所以要求這么高的精度是因為光束在進(jìn)入屋脊面之后，會一分為二，經(jīng)過兩次反射后理論上應(yīng)該重新合成一個點，但是如果屋脊面夾角超出允許的公差，則兩束光線就無法合成一個點，輕則影響分辨率，重則導(dǎo)致顯著的重影。尤其是天文觀測，星點質(zhì)量明顯變差。

圖2.11 鍍膜前后對比(圖片源自網(wǎng)絡(luò))

別漢棱鏡有一個面無法通過全反射來反射光線，通常在這一面鍍了鋁或銀來提高反射率，但是鋁和銀對不同波長的光線反射率并不相同，這就會產(chǎn)生偏色和成像亮度下降兩個問題，為此，就要靠鍍膜來解決。而鍍膜可不是簡簡單單的一層，可多達(dá)幾十層，它們把可見光的波長分成幾十個小波段，每層膜負(fù)責(zé)特定波段的光線，這樣一來，反射光的整體曲線才變得較為平坦，而且反射率非常接近100%（圖2.11）。

另外，光波的光束在屋脊棱鏡內(nèi)分離并重組的過程中會發(fā)生干涉現(xiàn)象，導(dǎo)致對比度降低。通過在棱鏡表面鍍“相位膜”可以改善這種情況，這類雙筒往往用“PC”（Phase Coating：相位膜）來標(biāo)識。

同時，這種“直通”式結(jié)構(gòu)很大程度上限制了雙筒的口徑，因為物鏡中心間距不能大于觀測者的瞳距。

因為上述幾項原因，自然而然地抬高了屋脊棱鏡的成本，這也再次說明光學(xué)產(chǎn)品真真是“一分價錢一分貨”。

隨著使用45°或90°曲角目鏡的雙筒天文望遠(yuǎn)鏡數(shù)量的增多，出現(xiàn)了種類繁多的棱鏡的組合，例如普羅Ⅱ型棱鏡配半五棱鏡做45°轉(zhuǎn)像、或與五棱鏡組合成90度轉(zhuǎn)像；還有一種由施密特屋脊棱鏡和斜方棱鏡組合的45°轉(zhuǎn)像系統(tǒng)；一些頂尖級雙筒望遠(yuǎn)鏡采用的是阿貝－柯尼屋脊棱鏡（Abbe- Koenig roof prisms，圖2.12）。

圖2.12 阿貝－柯尼屋脊棱鏡(Abbe- Koenig roof prisms)

圖2.13 雙目視覺原理

3 雙目系統(tǒng)

雙目視覺系統(tǒng)是由一面半透半反鏡和兩塊斜方棱鏡構(gòu)成的（圖2.13）。分光鏡將一束光線分成相互垂直的兩路，而斜方棱鏡只是偏轉(zhuǎn)了光軸的方向，不同于轉(zhuǎn)像棱鏡那般起顛倒影像的作用。也有用一對分光鏡來完成雙目視覺功能。圓柱形的光管確保兩邊的光路徑完全相同。瞳距則是靠沿光軸安置的鉸鏈裝置來調(diào)整。

（未完待續(xù)）

（責(zé)任編輯 張恩紅）